Кристоф Кох, известный нейробиолог и руководитель Института наук о мозге Аллена, в своем выступлении на World Science Festival подробно разбирает одну из главных загадок современной науки — биологическую природу сознания. Он объясняет, как за последние десятилетия изучение субъективного опыта совершило транзит из области чистой философии в экспериментальную нейробиологию, подкрепленную точными инструментальными методами. Основной акцент исследователь делает на поиске материального субстрата ментальной жизни и на революционной Теории интегрированной информации, позволяющей математически измерить уровень сознания у людей, животных и машин.
🧠 Смена парадигмы: от философии к нейробиологии 0:06
Современная наука достигла невероятных успехов в изучении материального мира. Астрофизики сумели детально зафиксировать космическое микроволновое фоновое излучение, отражающее состояние Вселенной спустя всего 300 000 лет после Большого взрыва. Химики и биологи детально описали эволюционную историю видов на Земле, уходящую корнями на 3,5–4 миллиарда лет назад.
Однако ни в квантовой механике, ни в теории относительности, ни в периодической таблице элементов или в генетическом коде ATGC нет ни единого упоминания о феномене сознания. На данном этапе развития науки человечество все еще имеет очень смутное представление о том, как именно возникает субъективный опыт.
По мнению Кристофа Коха, сознание не является супервентным по отношению к базовой физике. Философы часто используют мысленный эксперимент о «философских зомби» — гипотетическом мире, полностью подчиняющемся законам природы, где существа ведут себя в точности как люди, но внутри них царит полная темнота и отсутствует какой-либо субъективный опыт. В таком сценарии люди двигались бы подобно роботам, не испытывая никаких чувств.
Сложность этой проблемы понимали давно. Великий ученый Готфрид Лейбниц в XVII веке предложил знаменитую аналогию с мельницей. Согласно его идее, если бы мы могли увеличить мыслящую и воспринимающую машину до размеров мельницы и зайти внутрь нее, мы обнаружили бы там лишь движущиеся шестеренки, толкающие друг друга детали, но никогда не нашли бы там объяснения самому восприятию. Сегодня, как отмечает Кох, этот парадокс называют «трудной проблемой сознания», термин для которой популяризировал философ Дэвид Чалмерс.
Тем не менее, отправной точкой для современных нейробиологов остается знаменитый вывод Рене Декарта: Cogito, ergo sum, который в современной интерпретации звучит как «Я осознаю, следовательно, существую». По мнению Коха, субъективный опыт — это единственное, в чем мы можем быть абсолютно уверены. Даже проснувшись посреди ночи в незнакомом месте в состоянии полной дезориентации, человек может ошибаться насчет своего имени или геолокации, но сам факт наличия у него переживаний неоспорим.
Физика и изучение черных дыр или вирусов приходят уже вторично, на основе этого опыта. Задача науки — понять, как физические структуры, такие как здоровый бодрствующий мозг, порождают чувства, в то время как вирусы или черные дыры, по всей видимости, ими не обладают.
🎭 Границы сознания: содержание, состояния и иллюзии 6:55
В качестве яркой иллюстрации того, как мозг конструирует реальность, Кох приводит знаменитый феномен платья, разделивший интернет в свое время на два лагеря: одни видели его сине-черным, другие — бело-золотым. Картинка шотландского свадебного платья, случайно выложенная на Flickr, наглядно показала, что зрительное восприятие зависит от скрытых допущений мозга об уровне фонового освещения на снимке. Мы видим не объективную реальность, а результат работы сложнейшего органа в известной Вселенной — человеческого мозга.
Ученым приходится строго разделять содержание сознания (content of consciousness) и его состояния (states of consciousness). Содержание — это то, чем занят ум человека в конкретный момент: голос спикера, картинка на экране, внезапная боль в ноге или мысли о завтрашнем дне. Состояния же кодируют уровень активации и возбуждения мозга.
В клинической практике и повседневной жизни выделяют несколько ключевых состояний сознания:
- Активное бодрствование (когда кора головного мозга полностью ароузирована).
- Глубокий сон (фаза медленного сна, обычно не связанная с яркими феноменальными снами).
- Быстрый сон (REM-фаза, сопровождающаяся сюжетами сновидений).
- Искусственная анестезия (контролируемое отключение сознания профессиональными анестезиологами).
- Патологические состояния (кома, вегетативное состояние в результате травм, инсультов или гипоксии).
Кох подробно останавливается на трагическом случае американки Терри Шиаво (Terri Schiavo), чье дело вызвало огромный медийный резонанс, дойдя до Верховного суда США и вовлекая президента Джорджа Буша-младшего. Терри провела последние 14 лет своей жизни в персистирующем вегетативном состоянии. У нее сохранялись циклы сна и бодрствования, она открывала глаза, но ее моторная активность оставалась хаотичной и бесцельной. Она не могла сфокусировать взгляд на источнике света или выполнить простейшую команду.
По словам Коха, с биологической и юридической точек зрения ее тело оставалось живым, но как личности «дома никого не было» — ее субъективный опыт полностью отсутствовал.
🧠 Анатомия разума и феномен «зомби-поведения» 13:08
[Image of the cerebral cortex and cerebellum anatomy]
Материальной основой сознания выступает кора больших полушарий (церебральный кортекс) — тонкий слой серого вещества толщиной 2–3 мм, напоминающий по площади 13–14-дюймовую пиццу, упакованную в извилины внутри черепа. Чтобы кора могла генерировать сознание, она должна непрерывно снабжаться кровью, кислородом и активироваться подкорковыми структурами ствола мозга, поставляющими нейромодуляторы вроде норадреналина и серотонина. Если эти восходящие пути повреждены инсультом, человек погружается в кому.
Однако сознание связано далеко не со всеми сложными системами организма. Кристоф Кох перечисляет удивительные факты автономной работы нашего тела:
- Иммунная система: адаптивный и врожденный иммунитет ежесекундно распознают и уничтожают миллионы чужеродных патогенов без какого-либо сознательного контроля с нашей стороны.
- Энтеральная нервная система («второй мозг» в кишечнике): обладает миллионами нейронов и генерирует потенциалы действия, но ее работа полностью скрыта от ментального взора.
Кроме того, экспериментально доказано, что сознанию не требуются многие привычные функции. Например, оно не зависит от моторного поведения: в фазе быстрого сна тело полностью парализовано ради безопасности сновидца. К тому же пациенты, принявшие загрязненный героин с токсином MPTP, оказывались в состоянии полной кататонии и неподвижности, оставаясь при этом в полном сознании.
Сознание также не требует эмоций — ветераны войны с локальными повреждениями мозга от взрывных устройств могут демонстрировать абсолютно плоский аффект, но сохраняют ясность восприятия. Оно не требует развитого языка или развитого самосознания — пре-лингвистические дети обладают сознанием, в то время как рефлексивное эго и внутренний критик окончательно формируются лишь к третьему десятилетию жизни из-за поздней миелинизации префронтальной коры.
Во время высокоскоростной езды на велосипеде в потоке машин или при сложном скалолазании внутренний голос («внутренняя мама») полностью отключается, уступая место чистой, гиперинтенсивной осведомленности о внешнем мире. Сознание не требует даже долговременной памяти (известен пациент, потерявший память из-за вирусного энцефалита через две недели после свадьбы; он каждые пять минут писал в дневнике «Я только что впервые проснулся», но продолжал искренне любить жену при каждой встрече). Наконец, человек сохраняет сознание после удаления целого полушария мозга или хирургического рассечения межполушарных связей.
По оценкам Коха, более 90% повседневных действий человека управляются бессознательными «зомби-программами». Когда мы бежим сквозь плотную толпу или быстро печатаем текст на смартфоне, сознательный контроль только замедлил бы процесс и привел к лавине ошибок. Обучение сложному навыку (теннис, вождение, игра на музыкальном инструменте) сначала требует участия коры и высокой концентрации, но затем эта программа «компилируется и скачивается» в базальные ганглии (в частности, в хвостатое ядро), где выполняется автоматически.
В такие моменты, как утверждает Кох, лозунг компании Nike «Just do it» («Просто сделай это») работает идеально — избыточная рефлексия лишь мешает телу. Мы даже не знаем, почему принимаем те или иные решения, и крайне плохи в объяснении мотивов собственных поступков в лабораторных условиях.
🔬 В поисках нейрональных коррелятов сознания (НКС) 27:36
Последние три десятилетия своей жизни выдающийся физик и биолог Фрэнсис Крик (соавтор открытия структуры ДНК) посвятил разгадке тайны сознания. Вместе с Кристофом Кохом они сформулировали концепцию поиска НКС (нейрональных коррелятов сознания) — минимального набора биофизических механизмов в мозге, которые совместно и достаточно генерируют конкретное ощущение, будь то восприятие красного цвета РоТко или запах маминого пирога. Согласно этой гипотезе, искусственная стимуляция НКС обязана вызывать соответствующий перцепт, а их отключение — уничтожать его.
Исследуя зрительную систему как самую изученную модальность, ученые выяснили, что сетчатка глаза сама по себе не порождает сознание. Мы видим яркие сны с закрытыми глазами в абсолютной темноте. Более того, в месте выхода зрительного нерва из глаза находится слепое пятно, полностью лишенное фоторецепторов. Однако мы не видим черной дыры посреди поля зрения, так как кора активно интерполирует и дорисовывает окружающую картинку. А во время саккад — микродвижений глаз, происходящих 3–4 раза в секунду — мозг буквально вырезает 50-миллисекундные размытые сегменты и склеивает стабильный «фильм» для нашего восприятия. Как утверждает исследователь, восприятие во многом является «обманом» (corn job) — активной конструкцией описания мира, а не прямой трансляцией объективной реальности.
Парадоксальным открытием стало то, что сознание не связано с мозжечком (малым мозгом). Мозжечок содержит 80% всех нейронов нашего мозга — около 69 миллиардов из 86 миллиардов, включая сложнейшие клетки Пуркинье. Кох приводит в пример 24-летнюю пациентку из Китая, у которой случайно диагностировали редчайшую агенезию (полное отсутствие) мозжечка. Она страдает от атаксии (неплавности движений и речи), но абсолютно сознательна, замужем, воспитывает ребенка и описывает свои ментальные переживания так же, как любой здоровый человек. Локализация сознания сужается до коры и тесно связанных с ней сателлитных структур, таких как таламус.
Даже внутри коры не все области одинаково важны. Двухфакторные психологические эксперименты с маскированием движущихся решеток доказали, что в первичной зрительной коре (V1) нейроны реагируют на стимул независимо от того, осознает его человек или нет — там регистрируется лишь фокус внимания. Сознательный опыт рождается выше.
Например, в веретенообразной извилине находится зона лиц (FFA), открытая Нэнси Кэнвишер в Массачусетском технологическом институте (MIT). При ее разрушении возникает прозопагнозия (слепота на лица). Если же во время нейрохирургической операции простимулировать правое полушарие FFA электродом, пациент заявляет, что лицо врача прямо у него на глазах исказилось, превратившись в чье-то чужое.
🐁 Эволюционная преемственность и «пианино мозга» 41:21
Биология демонстрирует глубокую непрерывность психической жизни среди млекопитающих. Кристоф Кох убежден, что животные, включая его немецкую овчарку Тоску, обладают сознанием, пусть и лишенным гипертрофированной рефлексии взрослого человека. Положение ушей, характер лая и движения хвоста собаки красноречиво свидетельствуют о ее внутренних состояниях.
Если под микроскопом сравнить окрашенные методом Ниссля срезы височной коры мыши и человека, они окажутся поразительно похожими по своей цитоархитектонике. Главное отличие человеческого мозга — его масштаб. Наш мозг весит около 1500 граммов (3 фунта), что в тысячу раз больше мозга мыши (0,7 грамма). И хотя нас обгоняют слоны, дельфины и киты с мозгом в 3–4 килограмма, качественного, уникального структурного элемента, присущего только человеку, ученые так и не нашли. Мы просто имеем гораздо больше однотипного нейронального «материала».
Сегодня в Институте наук о мозге Аллена команда исследователей проводит уникальные эксперименты на трансгенных мышах. Команда из шести нейрохирургов подготавливает прозрачное стеклянное окошко в черепе животного. Благодаря методам молекулярной биологии, нейроны мышей при генерации электрических импульсов начинают флуоресцировать. Это позволяет ученым фиксировать вспышки света и визуализировать мыслительные процессы под микроскопом в реальном времени, пока мышь принимает решения на беговой дорожке.
Еще более мощным методом исследования причинно-следственных связей является оптогенетика. Направляя тончайшие пучки цветного лазерного света на генетически модифицированные клетки, ученые могут избирательно, деликатно и обратимо включать или выключать конкретные типы нейронов с миллисекундной точностью. По выражению Коха, это позволяет буквально «играть на пианино мозга», проверяя роль отдельных нейрональных ансамблей в зарождении субъективного опыта.
🔢 Теория интегрированной информации (IIT): математика духа 51:11
Поиск материальных коррелятов оставляет открытыми множество фундаментальных вопросов. Почему кора генерирует сознание, а мозжечок нет?. Почему при генерализованном эпилептическом припадке, когда миллиарды нейронов вспыхивают одновременно и гиперсинхронно, сознание полностью отключается вместо того, чтобы достичь пика?. Когда именно зажигается искра разума у недоношенных младенцев или плода в утробе матери?.
Обладают ли сознанием осьминоги, у которых нервная система распределена по всему телу?. И наконец, можно ли считать сознательными современные ИИ-системы, побеждающие человека в шахматы (Deep Blue), викторины (IBM Watson) или управляющие беспилотными автомобилями Google?.
Для ответа на эти вызовы нейробиолог Джулио Тонони разработал Теорию интегрированной информации (IIT). Опираясь на пять фундаментальных аксиом нашего личного опыта, IIT предлагает строгий математический аппарат. Согласно этой теории, сознание — это фундаментальное свойство любой системы, обладающей причинно-следственной силой воздействия на саму себя (intrinsic causal power).
Уровень сознания измеряется величиной, обозначаемой греческой буквой $\Phi$ (Фи). Если система является строго несводимой к сумме своих независимых частей, значение $\Phi$ будет больше нуля, что означает — системе «каково-то быть» (ей присущ внутренний опыт). Чем выше показатель $\Phi$, тем более развитым сознанием обладает структура.
Теория уже нашла практическое применение в клиниках благодаря методу "zap and zip" («ударь и сожми»). Пациенту подают короткий магнитный импульс в мозг с помощью ТМС (транскраниальной магнитной стимуляции) и фиксируют электрическое «эхо» (реверберацию) через многоканальную ЭЭГ. Полученный сигнал сжимают математическими алгоритмами:
- В состоянии комы, глубокого сна или под наркозом сложность отклика минимальна, алгоритм легко сжимает данные, что указывает на низкую интеграцию (низкий показатель Фи).
- У бодрствующих людей и пациентов с синдромом «запертого человека» (полный паралич при сохранном сознании) отклик демонстрирует высочайшую системную сложность и несводимость (высокий Фи).
При этом IIT вступает в жесткое противоречие с классическим функционализмом (позицией философа Дэниела Деннета и сторонников теста Тьюринга), который утверждает, что точная имитация поведения или функций гарантирует наличие сознания — как у роботов в фильмах «Из машины» (Ex Machina), «Бегущий по лезвию» (Blade Runner) или «Она» (Her). Напротив, согласно теории IIT, даже самая совершенная компьютерная симуляция человеческого мозга на кремниевом чипе никогда не обретет сознание.
Имитация сознания не является сознанием, так как архитектура современных процессоров не обладает внутренней причинно-следственной силой, оставаясь лишь набором транзисторов, передающих сигналы последовательно. Как резюмирует Кристоф Кох, для создания искусственного разума недостаточно просто написать сложный код и запустить вычисления — необходимо воссоздать уникальную физическую и каузальную структуру самого мозга.
